1、第十三講 光的本性,【知識要點】,一、對光的本性的認識 二、光的干涉和衍射 三、光的電磁說 四、光電效應(yīng)與光子說,一、對光的本性的認識,人類對光的本性的認識經(jīng)歷了微粒說、波動說、電磁說、光子說幾個過程。光子說認為：光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。,二、光的干涉和衍射,光的干涉和光的衍射是光具有波動性的有力證據(jù)。 1光的干涉 現(xiàn)象：兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域始終減弱，形成穩(wěn)定的明暗相間條紋的現(xiàn)象。 產(chǎn)生條件：（1）兩列波頻率必須相同；（2）在相遇點的振動方向幾乎沿同一直線；（3）在觀察的時間內(nèi)，在相遇點的兩個振動的位相差保持不變。,雙縫

2、干涉：,用單色光做波源射到雙縫上，比如用紅光，光屏上出現(xiàn)明暗相間的紅色條紋，明紋是振動的加強點，此點到兩狹縫的路程差是波長的整數(shù)倍；暗紋是振動的減弱點，此點到兩狹縫的路程差是半波長的奇數(shù)倍。相鄰的明紋（或暗紋）間的距離 式中d是雙縫的間距，L是雙縫至屏面的距離。如果用白光做光源，光屏上出現(xiàn)的干涉圖樣是彩色條紋,薄膜干涉：,從透明薄膜前后面反射的兩列光波疊加在一起，由于薄膜厚度的差異，產(chǎn)生明暗相間條紋的現(xiàn)象。,2光的衍射,現(xiàn)象：光線繞過障礙物偏離直線傳播而進入幾何陰影，并在光屏上出現(xiàn)明暗相間條紋的現(xiàn)象。 產(chǎn)生條件：障礙物或孔的尺寸比光波的波長小或者相差不多。 單縫衍射：單縫衍射圖樣是平行的、中間

3、寬兩邊窄的明暗相間的條紋。,圓孔衍射：圓孔衍射圖樣是明暗相間的同心圓環(huán)。,三、光的電磁說,1、電磁波譜 電磁波按波長以大到小的順序是：無線電波（包括微波）、紅外線、可見光、紫外線、x射線、射線。 2、光譜及光譜分析 由色散形成的，按頻率的順序排列而成的彩色光帶叫做光譜。 光譜分類：,（1）連續(xù)光譜 連續(xù)分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續(xù)光譜。熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。例如電燈絲發(fā)出的光、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光譜。 （2）明線光譜 只含有一些不連續(xù)的亮線的光譜叫做明線光譜。明線光譜中的亮線叫譜線，各條譜線對應(yīng)不同波長的光。稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是

4、明線光譜。明線光譜是由游離狀態(tài)的原子發(fā)射的，所以也叫原子的光譜。實踐證明，原子不同，發(fā)射的明線光譜也不同，每種原子只能發(fā)出具有本身特征的某些波長的光，因此明線光譜的譜線叫原子的特征譜線。,（3）吸收光譜,高溫物體發(fā)出的白光（其中包含連續(xù)分布的一切波長的光）通過物質(zhì)時，某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜，叫做吸收光譜。各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的原子的發(fā)射光譜中的一條明線相對應(yīng)。這表明，低溫氣體原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時發(fā)出的光。因此吸收光譜中的暗譜線，也是原子的特征譜線。太陽的光譜是吸收光譜。,（4）光譜分析,由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可以根據(jù)光譜來鑒別

5、物質(zhì)和確定的化學(xué)組成。這種方法叫做光譜分析。 原子光譜的不連續(xù)性反映出原子結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，所以光譜分析也可以用于探索原子的結(jié)構(gòu)。,四、光電效應(yīng)與光子說,1光電效應(yīng) 現(xiàn)象：在光的照射下，使物體中的電子逸出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。 實驗規(guī)律： （1）任何一種金屬都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)；低于這個頻率的光不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。 （2）光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨入射光的頻率的增大而增大。 （3）入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不超過10-9秒。 （4）當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時，光電流的強度與入射光的強度成正比。,2光子說 在空間

6、傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子。光子的能量跟它的頻率成正比，即 E=h ， 式中的h=6.6310-34js，是普朗克常量。 3愛因斯坦光電方程 根據(jù)能量守恒定律，光電子的最大初動能跟入射光子的能量h和逸出功w之間有如下關(guān)系 這個方程叫愛因斯坦光電方程。,，,4對光電效應(yīng)的解釋 根據(jù)愛因斯坦的理論，當(dāng)光子照射到物體上時，它的能量可以被物體中的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量后，它的能量立刻增加，不需要積累的過程，如果h足夠大，電子就可以在瞬間離開物體表面 子吸收的能量h，一部分用來克服原子引力脫離物體表面做逸出功，一部分轉(zhuǎn)化為光電子的最大初動能。對于一定的金屬來說，

7、逸出功w是一定的，所以光電子的最大初動能隨著入射光頻率的增大而增大。如果入射光子的能量等于金屬的逸出功，它的頻率就是極限頻率，小于這個頻率就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)了，那么極限頻率 0=W/h 如果入射光比較強，即單位時間內(nèi)入射光子的數(shù)目多，產(chǎn)生的光電子也多，所以光電流的強度與入射光的強度成正比。,5光既具有波動性，又具有粒子性，也就是說光具有波粒二象性。,但是接受光的波粒二象性，就要求我們既不可以把光當(dāng)成宏觀觀念中的波，也不可以把光當(dāng)成宏觀觀念中的粒子。一般說來，大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動性，這種波動性可以看做是表明大量光子運動規(guī)律的一種幾率波。而個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性，這種粒子性

8、體現(xiàn)在有能量、有動量，卻沒有靜止質(zhì)量。,【典型例題】,例1、如圖所示的雙縫干涉裝置，作為線光源的小縫S位于雙縫,如果屏上的Q點是暗點，表明兩列光波到達Q點時，它們的振動步調(diào)相反（如一列波處于波峰時，另一列波處于波谷），所以疊加結(jié)果互相削弱。根據(jù)波動的知識知道，發(fā)出的光波和發(fā)出的光波到達 Q點的路程差是該光波半波長的奇數(shù)倍。,解答：O點是亮點。光到達P點的路程差是該光波波長的整數(shù)倍。光到達Q點的路程差是該光波半波長的奇數(shù)倍。,例2、用細金屬絲繞一線框，將線框浸入肥皂水中，然后取出，這時線框里有一肥皂水薄膜。把這金屬框豎直放置，光從肥皂液膜反射到我們的眼睛，我們看到的干涉條紋是 A條紋是水平方向，

9、條紋寬度大體相同 B條紋是水平方向，條紋間隔上寬下密 C條紋是水平方向，條紋間隔上密下寬 D條紋是豎直方向，條紋寬度大體相等,分析：我們眼睛看到的圖像是由肥皂液膜的前表面（靠近人的一側(cè)）反射的光和由肥皂液膜的后表面反射的光形成的干涉圖樣。如果用白光做實驗，觀察到的干涉圖樣是彩色條紋；如果用單色光做實驗，觀察到的是單色明暗條紋。明條紋處是前表面的反射光和由后表面反射的光在到達前表面時的振動步調(diào)相同，互相疊加而振動加強；暗條紋處則是前表面的反射光和后表面反射光在到達前表面時的振動步調(diào)相反而互相削弱的結(jié)果。同一明紋處的各點，前表面的反射光和后表面的反射光的路程差（稱為光程差）是相同的，說明這些點處，

10、薄膜的厚度是相同的。同理，同一暗紋處的各點，膜的厚度也是相同的。相鄰兩條明條紋或相鄰兩條暗條紋之間，膜的厚度差是相等的。如果肥皂液膜的兩表面夾角恒定，那么形成的明暗條紋是等間距的。但本題中，肥皂液膜由于受重力的作用，使其形成的薄膜截面如圖（甲）所示，膜的兩表面夾角自上而下是由小變大。這種情況形成的明暗條紋的間隔是上邊寬、下邊密。所以本題所呈現(xiàn)的薄膜干涉圖樣如圖乙所示，條紋是水平方向，條紋的間隔是上寬下密。,說明：在薄膜干涉中，前表面反射的光和后表面反射的光的光程差，是由膜的厚度和膜對光的折射率決定的。如果膜的前后表面反射的兩列光波的光程差相同，則表明膜的厚度相同，反之亦然。這樣就很容易理解，同

11、一明條紋處或同一暗條紋處，膜的厚度是相同的。,解答：選項B正確。,例3、太陽光譜中含有許多暗線，這些暗線是由于什么原因形成的？,分析：首先要認識到太陽的光譜是在連續(xù)光譜的背景上有許多暗線，這表明太陽的光譜是吸收光譜，而不是連續(xù)光譜。太陽光譜的這些暗線對應(yīng)著某些元素的特征譜線，它表明太陽大氣層中存在著這些元素。太陽光在經(jīng)過溫度較低的太陽大氣層時，某些頻率的光被太陽大氣中的這些元素的原子所吸收而形成了連續(xù)光譜中的這些暗線。 解答：這些暗線是由于太陽光線經(jīng)過溫度較低的太陽大氣層時，某些特征譜線的光被吸收而形成的。,例4、入射光照到某金屬表面上發(fā)生光電效應(yīng)，若入射光的強度減弱，而頻率保持不變。下列說法

12、正確的是： A逸出的光電子的最大初動能減少； B單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目減少； C從光照至金屬表面到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將增加； D不發(fā)生光電效應(yīng)。,分析：光電效應(yīng)的實驗規(guī)律第2條是，光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大。若入射光的強度減弱，而頻率保持不變，顯然逸出的光電子的最大初動能不變，選項A錯誤。光電效應(yīng)的實驗規(guī)律第4條是，當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時，光電流的強度與入射光的強度成正比。若入射光的強度減弱，單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目減少，選項B正確。光電效應(yīng)的實驗規(guī)律的第3條是，入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不

13、 將增加的說法不對，選項C錯誤。光電效應(yīng)的實驗規(guī)律第1條是，任何一種金屬都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)；低于這個頻率的光不發(fā)生光電效應(yīng)。既然原來入射光照到金屬表面上能發(fā)生光電效應(yīng)，說明入射光的頻率大于極限頻率，既使入射光的強度減弱，頻率沒發(fā)生變化，光電效應(yīng)還是要繼續(xù)發(fā)生，選項D錯誤。,解答：根據(jù)光電效應(yīng)的實驗規(guī)律可知，只有選項B正確。,例5、能量為6eV的光子射入某金屬表面后，逸出光電子的最大初動能為2.5eV，求這種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率。,分析：已知光子的能量，光電子的最大初動能，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程，可計算出金屬的逸出功。再根據(jù)金屬的極限頻率

14、與逸出功的關(guān)系，計算出金屬的極限頻率。,金屬的逸出功為,【反饋練習(xí)】,1下面幾種光學(xué)現(xiàn)象中，屬于光的衍射現(xiàn)象的是 A浮在水平上的薄油層在太陽光的照射下，呈現(xiàn)各種不同顏色 B將兩塊平玻璃片緊緊捏在一起，會從玻璃片面上看到許多彩色花紋 C通過并在一起的兩根鉛筆間的狹縫，看遠處與縫平行的線狀白熾燈燈絲，會看到許多彩色條紋 D太陽光通過玻璃三棱鏡后形成彩色光帶,答案:C,2下列現(xiàn)象中，屬于光的干涉現(xiàn)象的是： A天空出現(xiàn)的彩虹 B肥皂泡在陽光照射中呈現(xiàn)彩色花紋 C隔著棱鏡觀察物體，在物體邊緣看到彩色 D通過靠得很近的兩根平行鉛筆間的縫隙觀察遠處的日光燈時，見到的彩色光帶,答案:B,3如圖所示，是干涉法檢

15、查某塊厚玻璃板的上表面是否平的裝置，所用單色光是用普通光源加濾光片產(chǎn)生的，檢查中所觀察到的干涉條紋是由下列哪兩表面反射的光線疊加而成的 Aa的上表面和b的下表面 Ba的上表面和b的上表面 Ca的下表面和b的上表面 Da的下表面和b的下表面,答案:C,4通過游標(biāo)卡尺兩測腳間的狹縫觀看遠處與縫平行的白熾燈的直燈絲，可以看到衍射圖樣。現(xiàn)在將紅色和藍色濾光片分別放到卡尺與燈泡間，如果其它條件不變，那么衍射圖樣的中央亮紋寬度，紅光與藍光的相比較 A紅色的較窄 B藍色的較窄 C兩種光的寬度相等 D需經(jīng)計算才能確定,答案:B,5如圖所示，用頻率為f的單色光垂直照射雙縫，在光屏上的P,應(yīng)為,答案:D,6關(guān)于光

16、譜，下面說法中正確的是 A熾熱的液體發(fā)射連續(xù)光譜 B太陽光譜中的暗線說明太陽上缺少與這些暗線相應(yīng)的元素 C明線光譜和暗線光譜都可用于對物質(zhì)成分進行分析 D發(fā)射光譜一定是連續(xù)光譜,答案:AC,7關(guān)于電磁波，下列說法中哪些是正確的？ A電磁波中最容易表現(xiàn)出干涉、衍射現(xiàn)象的是無線電波 B紅外線、可見光、紫外線是原子外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的。 C射線是原子內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的 D紅外線的波長比紅光波長長，它的顯著作用是熱作用,答案:ABD,8某種無色透明玻璃對于在真空中的波長為0.60m的單色光的折射率是1.50。則 C這種光在該玻璃中的波長是0.9m D對于真空中波長為0.40m的單色光，該玻璃的折

17、射率略小于1.50,答案:AB,9某激光器能發(fā)射波長為的激光，發(fā)射功率為P，c表示光速，h表示普朗克常量，則激光器每秒發(fā)射的光子數(shù)為,答案:A,10用綠光照射一光電管，能產(chǎn)生光電效應(yīng)。欲使光電子從陰極逸出時的最大初動能增大，應(yīng) A改用紅光照射； B增大綠光的強度 C增大光電管上的加速電壓 D改用紫光照射,答案:D,【課后練習(xí)】,1關(guān)于光的干涉和衍射，以下說法正確的是 A在波峰跟波峰疊加的地方，光就加強，出現(xiàn)亮條紋 B在波谷跟波谷疊加的地方，光就削弱，出現(xiàn)暗條紋 C在雙縫干涉的實驗條件不變的情況下，紅光的條紋間距比紫光的大 D雙縫干涉的明條紋或暗條紋之間的距離總是相等的；單縫衍射的明條紋或暗條紋

18、的間距也是相等的,答案: AC,2、用頻率為的光照射某種金屬表面產(chǎn)生光電子。當(dāng)光電子垂直進入強度為B的勻強磁場中做勻速圓周運動時，其最大半徑為R，以W表示逸出功，m、e、h分別表示電子質(zhì)量、電量和普朗克常量。下列表示電子最大初動能的式子中哪些是正確的,答案: CD,3、在演示光電效應(yīng)的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連。用弧光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開一個角度：如圖所示，這時 A、鋅板帶正電，指針帶負電 B、鋅板帶正電，指針帶正電 C、鋅板帶負電，指針帶正電 D、鋅板帶負電，指針帶負電,答案: B,4、一盞電燈發(fā)光功率為100W，假設(shè)它發(fā)出的光向四周均勻輻射，,答案: C,5用紅光做雙縫干涉實驗，在屏上觀察到干涉條紋。在其它條件不變的情況下，改用紫光做實驗，則干涉條紋間距將變_。如果